Линейное каноническое преобразование - Linear canonical transformation

В гамильтоновой механике , то линейное каноническое преобразование ( LCT ) представляет собой семейство интегральных преобразований , обобщающей многие классические преобразования. У него 4 параметра и 1 ограничение, поэтому это 3-мерное семейство, и его можно визуализировать как действие специальной линейной группы SL 2 ( R ) на частотно-временной плоскости (области). Поскольку это определяет исходную функцию с точностью до знака, это переводится в действие ее двойной оболочки на исходное функциональное пространство.

LCT обобщает преобразования Фурье , дробного Фурье , Лапласа , Гаусса – Вейерштрасса , Баргмана и Френеля как частные случаи. Название «линейное каноническое преобразование» происходит от канонического преобразования , отображения, которое сохраняет симплектическую структуру, поскольку SL 2 ( R ) также можно интерпретировать как симплектическую группу Sp 2 , и, таким образом, LCT являются линейными отображениями частотно-временной области которые сохраняют симплектическую форму , и их действие на гильбертовом пространстве задается метаплектической группой .

Рассмотрены основные свойства упомянутых выше преобразований, такие как масштабирование, сдвиг, умножение координат. Любое линейное каноническое преобразование связано с аффинными преобразованиями в фазовом пространстве, определяемых координатами время-частота или положение-импульс.

Определение

LCT можно представить несколькими способами; проще всего его параметризовать матрицей 2 × 2 с определителем 1, т. е. элементом специальной линейной группы SL 2 ( C ). Тогда для любой такой матрицы с ad  -  bc  = 1 соответствующее интегральное преобразование от функции к определяется как

Особые случаи

Многие классические преобразования являются частными случаями линейного канонического преобразования:

Масштабирование

Масштабирование , соответствует масштабирование времени и частоты измерения обратно (как время идет быстрее, частоты выше , а время измерения сжимается):

преобразование Фурье

Преобразование Фурье соответствует повороту по часовой стрелке на 90 ° в частотно-временной плоскости, представленной матрицей:

Дробное преобразование Фурье

Преобразование Фурье дробного соответствует вращению на произвольный угол; они являются эллиптическими элементами SL 2 ( R ), представленными матрицами:

Преобразование Фурье - это дробное преобразование Фурье, когда обратное преобразование Фурье соответствует

Преобразование Френеля

Преобразование Френеля соответствует сдвигу и представляет собой семейство параболических элементов , представленных матрицами,

где z - расстояние, а λ - длина волны.

Преобразование Лапласа

Преобразование Лапласа соответствует повороту на 90 ° в комплексную область и может быть представлено матрицей:

Дробное преобразование Лапласа

Фракционный преобразование Лапласа соответствует вращению на произвольный угол в комплексной области, и может быть представлена в виде матрицы:

Преобразование Лапласа - это дробное преобразование Лапласа, когда обратное преобразование Лапласа соответствует

Умножение щебета

Умножение щебета , соответствует :

Состав

Состав LCT соответствует умножению соответствующих матриц; это также известно как свойство аддитивности в функции распределения Вигнера (WDF). Иногда продукт преобразований может принимать знаковый фактор из-за выбора другой ветви квадратного корня в определении LCT. В литературе это называется метаплектической фазой .

Если LCT обозначается , т. Е.

тогда

куда

Если - , где - ЛСТ , то

LCT эквивалентен операции скручивания для WDF, а распределение классов Коэна также имеет операцию скручивания.

Мы можем свободно использовать LCT для преобразования параллелограмма, центр которого находится в точке (0,0), в другой параллелограмм, имеющий такую ​​же площадь и тот же центр.

Из этого рисунка мы знаем, что точка (-1,2) преобразуется в точку (0,1), а точка (1,2) преобразуется в точку (4,3). В результате мы можем записать следующие уравнения:

мы можем решить уравнения и получить (a, b, c, d) равно (2,1,1,1)

В оптике и квантовой механике

Параксиальные оптические системы, полностью реализованные с тонкими линзами и распространяющиеся через свободное пространство и / или среду с градиентным показателем преломления (GRIN), являются квадратичными фазовыми системами (QPS); они были известны до того, как Мошинский и Кен (1974) обратили внимание на их значение в связи с каноническими преобразованиями в квантовой механике. Влияние любой произвольной QPS на входное волновое поле можно описать с помощью линейного канонического преобразования, частный случай которого был развит Сегалом (1963) и Баргманном (1961) для формализации бозонного исчисления Фока (1928).

В квантовой механике , линейные канонические преобразования могут быть определены с линейными преобразованиями , которые Смешать оператор импульса с оператором положения и оставляют инвариантные канонические коммутационные соотношения .

Приложения

Канонические преобразования используются для анализа дифференциальных уравнений. К ним относятся диффузия , свободная частица Шредингера , линейный потенциал (свободное падение) и уравнения осциллятора притяжения и отталкивания. Он также включает несколько других, например уравнение Фоккера – Планка . Хотя этот класс далеко не универсален, легкость нахождения решений и свойств делает канонические преобразования привлекательным инструментом для решения подобных проблем.

Здесь обсуждается распространение волн через воздух, линзу и между спутниковыми антеннами. Все вычисления сводятся к матричной алгебре 2 × 2. Это дух LCT.

Распространение электромагнитных волн

TFA LCT fresnel.jpg

Предполагая, что система выглядит так, как показано на рисунке, волна распространяется от плоскости x iy i - плоскости к плоскости xy . Преобразование Френеля используется для описания распространения электромагнитных волн в воздухе:

куда

  • - волновое число ;
  • λ - длина волны ;
  • z - расстояние распространения; а также
  • мнимая единица.

Это эквивалентно LCT (сдвигу), когда

Когда расстояние перемещения ( z ) больше, эффект сдвига больше.

Сферическая линза

TFA LCT lens.jpg

С линзой, изображенной на рисунке, и показателем преломления, обозначенным как n , результат будет следующим:

где f - фокусное расстояние, Δ - толщина линзы.

Дисторсия, проходящая через линзу, аналогична LCT, когда

Это также эффект сдвига: чем меньше фокусное расстояние, тем больше эффект сдвига.

Сферическое зеркало

TFA LCT disk.jpg

Сферическое зеркало - например, спутниковая тарелка - можно описать как LCT, с

Это очень похоже на линзу, за исключением того, фокусное расстояние заменяется на радиус тарелки, R . Следовательно, чем меньше радиус, тем больше эффект сдвига.

Совместное свободное пространство и сферическая линза

Совместное свободное пространство и сферическая линза.png

Связь между входом и выходом мы можем использовать для представления LCT.

  1. Если это обратное реальное изображение.
  2. Если это преобразование Фурье + масштабирование
  3. Если это дробное преобразование Фурье + масштабирование

Основные свойства

В этой части мы покажем основные свойства LCT.

Оператор Матрица преобразования

Учитывая двумерный вектор-столбец, мы показываем некоторые основные свойства (результат) для конкретного ввода ниже.

Вход Выход Замечание
куда
линейность
Теорема Парсеваля
куда комплексно сопряженный
умножение
происхождение
модуляция
сдвиг
куда масштабирование
масштабирование
1
куда

Пример

TFA LCT блюдо2.jpg

Рассмотренная система изображена на рисунке справа: два блюда - один являющийся излучателем , а другой приемник - и сигнал , идущий между ними на расстояние D . Во-первых, для антенны A (эмиттер) матрица LCT выглядит так:

Тогда для антенны B (приемник) матрица LCT аналогичным образом принимает следующий вид:

Наконец, для распространения сигнала в воздухе матрица LCT имеет вид:

Объединив все три компонента вместе, мы получим LCT системы:

Связь с физикой элементарных частиц

Было показано , что это может быть возможным установить связь между некоторыми свойствами элементарного фермиона в стандартной модели в физике элементарных частиц и Спин представлении линейных канонических преобразований. В этом подходе Электрический заряд , Слабый гиперзаряд и Слабый изоспин частиц выражаются как линейные комбинации некоторых операторов, определенных из генераторов алгебры Клиффорда, связанных со спиновым представлением линейных канонических преобразований.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Де Брейна, NG (1973). "Теория обобщенных функций с приложениями к распределению Вигнера и соответствию Вейля", Nieuw Arch. Wiskd. , III. Сер., 21 205-280.
  2. ^ PR Deshmukh & AS Gudadhe (2011) Структура свертки для двух версий дробного преобразования Лапласа. Журнал науки и искусства, 2 (15): 143-150. «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2012-12-23 . Проверено 29 августа 2012 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  3. ^ KB Вольф (1979) гл. 9: Канонические преобразования .
  4. ^ KB Вольф (1979) гл. 9 и 10 .
  5. ^ Гудман, Джозеф В. (2005), Введение в оптику Фурье (3-е изд.), Roberts and Company Publishers, ISBN 0-9747077-2-4, §5.1.3, стр. 100–102.
  6. ^ RT Ranaivoson et al (2021) Phys. Scr. 96 065204

использованная литература

  • JJ Healy, MA Kutay, HM Ozaktas и JT Sheridan, " Linear Canonical Transforms: Theory and Applications ", Springer, New York 2016.
  • Дж. Дж. Дин, « Примечания к курсу по частотно-временному анализу и вейвлет-преобразованию », факультет электротехники, Национальный университет Тайваня (NTU), Тайбэй, Тайвань, 2007 г.
  • КБ Вольф, " Интегральные преобразования в науке и технике ", гл. 9 и 10, Нью-Йорк, Plenum Press, 1979.
  • С. А. Коллинз, "Интеграл дифракции линз-системы, записанный в терминах матричной оптики", J. Opt. Soc. Амер. 60 , 1168–1177 (1970).
  • М. Мошинский и К. Кен, "Линейные канонические преобразования и их унитарные представления", J. Math. Phys. 12 , 8, 1772–1783, (1971).
  • Б.М. Хеннелли и Дж. Т. Шеридан, "Быстрый численный алгоритм линейного канонического преобразования", J. Opt. Soc. Являюсь. А 22 , 5, 928–937 (2005).
  • HM Ozaktas, A. Koç, I. Sari, MA Kutay, "Эффективное вычисление квадратично-фазовых интегралов в оптике", Опт. Позволять. 31 , 35–37, (2006).
  • Бинг-Чжао Ли, Ран Тао, Юэ Ван, «Новые формулы выборки, связанные с линейным каноническим преобразованием», Обработка сигналов ' 87' , 983–990, (2007).
  • A. Koç, HM Ozaktas, C. Candan и MA Kutay, "Цифровое вычисление линейных канонических преобразований", IEEE Trans. Сигнальный процесс. , т. 56, нет. 6, 2383–2394, (2008).
  • Ран Тао, Бинг-Чжао Ли, Юэ Ван, «О выборке сигналов с ограниченной полосой пропускания, связанных с линейным каноническим преобразованием», IEEE Transactions on Signal Processing , vol. 56, нет. 11, 5454–5464, (2008).
  • Д. Столер, "Операторные методы в физической оптике", 26-й ежегодный технический симпозиум . Международное общество оптики и фотоники, 1982.
  • Тянь-Чжоу Сюй, Бин-Чжао Ли, « Линейное каноническое преобразование и его приложения », Пекин, Science Press, 2013.
  • Раоэлина Андриамболона, Р. Т. Ранаивосон, HDE Рандриамиси, Р. Ханитриариву, "Алгебра дисперсионных операторов и линейные канонические преобразования", Int. J. Theor. Phys. , 56 , 4, 1258–1273, (2017)
  • RT Ranaivoson и др., "Линейные канонические преобразования в релятивистской квантовой физике", Phys. Scr. 96 , 065204, (2021).
  • Татьяна Алиева., Мартин Дж. Бастиаанс. (2016) Линейные канонические преобразования: определение и свойства. В: Хили Дж., Альпер Кутай М., Озактас Х., Шеридан Дж. (Ред.) Линейные канонические преобразования. Springer Series in Optical Sciences, vol 198. Springer, New York, NY.